防弹衣材料的制作方法

专利名称：防弹衣材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及单层或多层组件或层压件形式的防护衣材料，尤其是涉及单层或多层组件或层压件形式的防弹衣材料。
许多材料和结构已经用来保护人们免受枪弹的损伤，特别是由高速枪弹和碎片撞击人体造成的损伤。在这些材料中，织物扁平结构，特别是由芳族聚酰胺纤维织成的纺织品是经常使用的。这些结构特别涉及所谓的防弹组件，即多层叠合的薄扁平结构的组件、主要是纺织品，它们被粘结、加压、缝合或缝拢在一起。
在采用上述各种材料保护人体的情况下，重要的是所提供的产品轻便并且穿着非常舒适。然而，在这种情况下，在防弹有效性，即对于需要保护的人体的保护作用和穿着舒适性之间必需采取折衷的方案。出于这种考虑，增加层数或各单层上每单位面积上的重量可以在绝大多数情况下提高保护作用是公知的。然而，这导致防弹衣较重且降低穿着舒适性。
对于防弹衣来说，所谓外伤保护组件是特别重要的。撞击穿在人体上的一件防弹衣的枪弹通过几层防弹组件而减速，从而不能够穿透人体并且不致伤害穿着防弹衣的人。但是，枪弹的撞击产生一定的震动效应并可能导致外伤。靠近人体的防弹组件的外伤组件试图减轻这种效应。
业已对这种外伤防护组件的结构提出了各种实施方案。英国专利2234156提出了一层可以模塑的塑料，该塑料固定到由有效的防弹材料制成的织物上。
美国专利4774724提出了一种用于织物夹克上的外伤保护组件，它是由脂族聚酰胺纤维制成的，并且包括一层由有效防弹纤维制成的织物层、一层柔性的、半刚性的聚碳酸酯层，及多层具有良好压缩性的泡沫材料。
另外，压在一起的有效的防弹织物上胶层也用于外伤保护组件。
而在大多数情况下，直至现在所提出的用于减少枪弹撞击的外伤的实施方案未达到期望的效果。一些对该问题所提出的解决办法显著地降低了防弹衣的穿着舒适性，因为特殊的防外伤层不仅增加了重量和厚度，而且尤其增加了防弹衣的刚度。
出于这种原因，本发明的目的是开发一种防弹衣材料，其具有相同的或者减轻了的重量、较的柔性以及改善了的防外伤效果。
业已发现，如果在防弹衣内的一层或多层防弹保护组件，特别是外伤保护组件中包括扁平结构，而这种扁平结构包含有机膨胀剂，那么本发明目的可用特别优越的方式予以解决。
在防弹衣上使用膨胀性材料业已在美国专利3649426中公开。该专利提出了防弹衣的扁平结构，例如通过压缩膨胀混合物制造这种扁平结构。这种混合物是无机材料，例如金属氧化物或一氧化硅粉末与具有偶极特性的液体的混合物。在这种情况下，所引起的问题是，通过压缩，液体很大程度地从膨胀体系中除去，所期望的效果部分地丧失。然而，减少压缩则大量保留了液相，当作为防护衣穿着时，这些衣服的尺寸稳定性是完全不适合的。
此外，对于防护衣而言，使用美国专利3649426中的膨胀体系，由于借助压缩板而产生的重量的增加导致防护衣穿着舒适性降低。另外，正如将在比较实例中加以详细说明的，使用引用的专利中描述的实施方案仅能够获得轻微的防弹效果。
如果防弹保护组件的各层，特别是一层或多层外伤保护组件包括一扁平结构，而这一扁平结构用有机膨胀剂饱和或填充，那么所述的缺陷可予以克服。
对膨胀现象仍未能给予满意的解释。通常应懂得由于突然的机械应力，特别是剪切力作用或剪切梯度的影响，物质变硬或体积改变，因此时间影响或效果是不能够测量的。
在一突然的力的影响下，例如枪弹的撞击，出现由组合的剪切和压缩应力而引起的体积改变并导致可传递的剪切力陡然增加。
对于本发明来说，应懂得赋予膨胀性物质是所有那些物质，当受一突然力的影响时，其能够以在前所述方式承受韧性或体积变化。
膨胀体系广为公知的例子是石英砂和水的混合物。水常常用来形成液相，但是具有偶极特性的其它液体也能够用于此目的。正如比较例将示出的，此类体系很不适合用作防护服。
也有公知的有机化合物具有膨胀特性。适合于膨胀体系的聚合物是苯乙烯及其衍生物。苯乙烯与丙烯酸或甲基丙烯酸或它们的酯的共聚物是特别合适的。另外，苯乙烯的其它共聚物和聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的复合物适于本应用领域。其它可应用的产品是聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯以及有关的共聚物。
在此所列的聚合物较好的适于制造本发明的材料。但引用的这些材料仅作为例子，而不限于这些材料。在本发明的范围内，通过饱和或填充在扁平结构上赋予膨胀性的所有有机化合物可用于制造本发明的材料。
膨胀性赋予聚合物优选以分散体形式应用到扁平结构上，扁平结构用来制造防护服。这种可以商业产品购得的分散体，除了聚合物和水之外，通常包含辅助产品如邻苯二甲酸的烷基酯。
预计用作防护服并包含膨胀剂的扁平结构最好是对聚合物分散体具有良好亲和力的纺织的扁平结构。无纺织物特别好地适于这一目的。
由可纺纤维或短纤维制造的细胶结织物或无纺织物同样有用。
对于制造无纺织物的纤维类型没有限制。由聚酯或聚酰胺纤维制成的无纺织物是较适合的，但是由其它合成纤维或天然的或再生纤维素纤维制造的无纺织物也可以应用。此外，常常当作芳族聚酰胺纤维并经常用在防弹衣上的芳族纤维也用作制造无纺织物的纤维材料。可用来制造这种无纺织物的具有良好防弹性能的另一种纤维是采用凝胶拉丝工艺纺成的聚乙烯纤维。
除了无纺织物之外，这些无纺织物优选在制造本发明材料中用作膨胀剂的载体，其它纺织扁平结构如纺织物、编织物、纤维复合物、滚压粘合织物以及其它织物可用作膨胀剂的载体。重要的是对于包含膨胀剂的分散体有良好的亲和力。无纺扁平结构如泡沫材料也适合于作为这种载体。对于具有膨胀特性的物质而言，关于防弹效果的最好结果的获取是采用无纺织物作为载体。通常也由于其固有的重量轻的特点，尤其适合用于防护服。
接收赋予膨胀性的分散体的扁平结构用分散体饱和并稍加挤压。因为在载体材料上需要大量的膨胀剂，需要高浸浴浓度。例如，使用大约相等的水和膨胀剂的商业分散体配制用于精加工载体材料的浸渍液。应用的方法和膨胀剂的分散体的固体含量取决于所希望的效果，然而在处理浴中，水与膨胀剂的分散体的比率可在例如3∶7至7∶3之间改变。正如下面所引用的百分数一样，这里给出的值仅是举例而已，而不是作限制。
在载体材料上施加膨胀剂特别适合的是所谓的轧染工艺，其可在例如一台轧染机上连续进行。这些工艺在纺织品精整中是众所周知的。通过轧染工艺产生特殊的变形，其中处理液不是放在轧染箱，而是放在挤压辊形成的间隙内。另外一种应用的可能性是使用溅染(Slop-padding)工艺，该工艺在纺织品精整技术中同样是众所周知的。除了应用常规形式的浸泡以外，泡沫应用也是可能的，这在纺织品精整技术中也是公知的。
把膨胀剂施加到载体材料上后，进行挤压，例如使用一对设置在轧染机上的辊。调节湿处理后的剂压程度以使挤压后的精整了的载体材料保留大约30-70%施加的分散体。采用50%分散体的浸泡浓度，经挤压后的处理了的载体材料重量的增加相对于干载体材料必须是约60-140%。
然而，除了提到的那些以外，尚有其它可能的方法把膨胀剂施加到载体材料上。例如，可采用喷涂或浇注的方法。在这种情况下，同样可使用上面提到的浓度。
在使用化学纤维材料制造载体材料时，例如甚至可在纤维制造过程中将膨胀剂与整理剂放在一块使用。
用膨胀剂精整过的扁平结构可以湿或干燥状态应用在防护服上。优选以干燥状态使用。在这种情况下，紧随湿处理后需要干燥精整了的扁平结构。应该在平缓的条件下实施这一干燥步骤，即在相对低的温度下实施这一干燥步骤。干燥温度取决于使用的聚合物类型。例如，在使用聚苯乙烯或其共聚物的情况下，干燥温度必须在80℃以内。
对于提供有膨胀剂的扁平结构来说，除了最佳干燥状态应用以外，在湿状态下使用也是可能的。在这种情况下，包含膨胀剂的分散体的浓度与干燥状态相同。在湿状态应用中，采用膨胀剂精整的扁平结构必须被密封在防潮的外套内，防潮的外套例如是片状聚乙烯制造的。采用这种方式，用膨胀剂精整的扁平结构在防弹组件内组成为一层。
用膨胀剂精整的扁平结构可以各种形式用于防护服。本发明的这些材料的优选应用是用于防弹衣，最好是用于防弹衣外伤层。这种防弹衣以背心形式穿着，例如常常称作防弹背心。在这些背心中，有效的保护层由所谓的防弹组件构成，其常常包括大量缝合、衍缝、粘合或压在一起的芳族聚酰胺纤维织物重叠层。例如，防弹背心中一般是具有28层重叠的层组件。
按照流行的术语，衍缝或缝合的多层通常称为组件，而压缩或粘合的若干层常叫做层压件。然而术语“组件”对于所有增强方法而言也可被认为是通用术语。
例如，对于这种背心来说，采用膨胀剂精整的扁平结构可插入防弹组件，因此这种扁平结构可作为这种组件的全部28层之一，例如或者作为附加层。其它层包括例如由芳族聚酰胺纤维制造的织物，其单位面积重量为约200克/米2。然而，本发明不限于只使用一层包含膨胀剂的扁平结构。防弹组件可包括多层这些扁平结构，这取决于所希望的防弹效果。通过使用多层包含膨胀剂的扁平结构，常规的织物层数目可减少。
含有膨胀剂的扁平结构特别以夹在外伤保护组件中为好，即靠近身体的防弹保护组件层内。当这种扁平结构置于防弹保护组件的外伤层内时，它起振动吸收器的作用。通过将已用膨胀剂精整的扁平结构设置在靠近身体。由枪弹撞击而出现的外伤效应可显著地减少然而，当包含膨胀剂的扁平结构设置在防弹组件层内，而该组件层远离身体时，也能够获得良好的防弹效果并且减少外伤效应。例如，当在外伤组件以及远离身体层内使用至少一层包含膨胀剂的扁平结构时，可获得特别好的防弹和防外伤效应。
对于防弹背心形式的防护衣而言，所述的特制外伤层是很常见的。然而，可用同样方式使用含有膨胀剂的扁平结构在头盔中形成一个特制外伤层。
在此陈述的有关设置包含膨胀剂的扁平结构同样能够应用于这些扁平结构的干态和湿状态应用。从外侧观察，当所谓的支承层使用在外伤组件后面时，可看到用膨胀剂精整的扁平结构在用于外伤组件时的特别优越的效果。在一个特别优选的实施方案中，如就防弹组件而论，这种支承层是芳族聚酰胺纤维织物。然而由高强度纤维制造的其它织物，尤其是那些具有抗弹效果的织物同样可用作支承层。除了芳族聚酰胺纤维织物之外，由使用凝胶纺制工艺纺成的高强度纤维制造的织物在这种情况下是特别适合的。然而，由其它纤维例如碳纤维、聚酯纤维、或聚酰胺纤维制成的其他织物可用作支承层。除了织物之外，其它纺织扁平结构可用作支承层。
用作支承层的扁平结构，例如由芳族聚酰胺纤维纺织的织物通常无需用膨胀剂精整。然而，用膨胀剂精整该支承层的扁平结构也是允许的。
由于上述优点，本发明材料尤其适合于制做枪弹和弹片防护背心以及相应的防护外衣。然而，这种材料同样还可用来制做具有防弹效果的头盔。
本发明材料的另一个可能的应用是制做防撞击的服装，这种服装往往由运动员穿着，但是也可作为职业安全保护服。膨胀现象用一种类似于用于防弹衣的方式加以利用。
如上述已经表明，且实施方案将进一步确认，本发明的材料用在防护服中提供了显著的保护性能。对于防弹衣而言这是特别理想的，其中显著增加了的保护作用不会削弱穿着的舒适性。业已证实本发明的材料尤其适合于作为防弹组件中的振动吸收器，即起到减少外伤的效果。
比较例在这个例子中，将美国专利3649426的理论用于防弹衣的应用。为此目的，使用的是文中列举的80%石英砂、16%甘油和4%水的混合物。这种混合物是以20mm厚的模压体形式导入片状聚乙烯外套内，并经受碰撞试验。这种厚度代表着防弹衣极端情况。通常，对于防弹背心而言，防弹层厚度在5～15mm之间。封闭在聚乙烯内时前述混合物的模压体的碰撞用9mm帕拉(Para)弹药(FMJ)进行。即使以200米/秒的射速，这种组件也完全被穿透。在包含例如28层具有大约200克/米2单位面积重量的芳族聚酰胺织物的标准防弹组件的情况下，仅在超过460米/秒才全部穿透。如果在这28层组件中有一层用由本发明的膨胀剂精整过的聚酯无纺织物替代，从而有27层芳族聚酰胺织物和一层用膨胀剂精整过的聚酯无纺织物，则在510米/秒速度以内不致发生全部穿透。
这些结果表明，对于防弹衣而言，在现有技术中提及的用于赋与膨胀性的无机材料是不合适的。按照美国专利3649426制造的模压体，在厚度明显超过包含未精整的芳族聚酰胺织物的防弹组件的厚度时显示完全不能令人满意的防弹性能。由于模压体相当大的厚度，其与芳族聚酰胺织物的结合不能用于防弹衣。
实施方案1就本实施方案来说，将描述用膨胀剂精整无纺织物。将由聚脂可纺纤维经梳理工序制造的无纺织物用于精整，该无纺织物的纤度为3.3分特(dtex)，并切成60mm长再用胶粘剂提高其强度。无纺织物的单位面积重量为102克/米2。这种无纺织物在试验室轧染机上予以精整。在轧染机的轧染箱内的制剂，包含以苯乙烯和丙烯酸乙酯为基准的共聚物的50%商业分散体，以及邻苯二甲酸二烯丙酯添加剂。分散体的固体含量约为68%，因此浴制剂具有约34%的固体含量。
挤压度调至120%，即在挤压后的无纺织物的总重量是包括1份无纺织物重量和1.2份水和来自分散体的固体。紧接着，在试验室干燥器上于80℃下干燥。干燥以后，单位面积重量是143克/米2。
实施方案2将按照实施方案1精整的无纺织物置入防弹背心中，该防弹背心包括28层单位面积重量为198克/米2的芳族聚酰胺纤维层，从而使无纺织物用作紧靠身体的29层和30层。此外，使单位面积重量为198克/米2的未精整芳族聚酰胺纤维的附加层置入两层无纺层之后作31层，作为所谓支承层。因此，从外侧到内侧的结构包括28层芳族聚酰胺织物层、2层用膨胀剂精整的无纺织物层和1层作为支承层的芳族聚酰胺织物层。
用9mm帕拉弹药(FMJ)的撞击实验也用于下面描述的撞击实验，枪弹速度为420米/秒对防弹组件后面的plastilina的穿透深度是10mm。在该防弹背心的另一个撞击实验中，枪弹速度增加到510米/秒。在这种情况下，对Plastilina的穿透深度是14mm。
在相同撞击条件下，用仅包括28层上述芳族聚酰胺织物的防弹组件进行对照撞击实验，结果是枪弹速度为420米/秒时，穿透plastilina的深度为38mm。枪弹速度为510米/秒即全部穿透防弹组件。
测定穿透plastilina层的深度用以作为外伤效应的测试。为此，将plastilina层设置在防弹组件后面。穿透plastilina的深度也常被视为外伤深度。随国家的规定而定，在枪弹速度例如为420米/秒时，由官方认可的外伤深度在穿透plastilina20至44mm范围内。
在此描述的实验不仅说明了通过使用本发明材料在外伤效应上的显著降低;同时也表明仅通过在防弹组件的外伤层使用本发明的材料，有时也能达到对外伤深度的相当严格的要求。
实施方案3本实施方案表明防弹组件支承层的实际效果。为此，28层单位面积重量为202克/米2的芳族聚酰胺织物的组件经受枪弹速度为420米/秒的撞击实验，在这种情况下，穿透plastilina的深度是37mm。
就第二个撞击实验来说，将6层用膨胀剂精整的重量轻的聚酯无纺织物设置在包含28层芳族聚酰胺织物的组件之后。在精整之后，无纺织物的单位面积重量为118克/米2(未精整的无纺织物的单位面积重量是81克/米2)。因而组件从外侧到内侧按照如下方式构成28层芳族聚酰胺织物和6层聚酯无纺织物。采用这种组件，以420米/秒的枪弹速度作撞击试验，其穿透深度是13mm。
就第三种撞击试验而言，将作为所谓支承层的未精整的芳族聚酰胺纤维附加层设置在无纺织物层之后，此时的这种组件从外侧到内侧具有如下结构28层芳族聚酰胺织物，6层用膨胀剂精整的聚酯无纺织物，和1层作为支承层的芳族聚酰胺。以420米/秒的枪弹速度作撞击试验，其穿透深度仅为6mm。
权利要求
1.单层或多层组件或层压件形式的防护服材料，特别是防弹衣材料，其特征在于至少一层包括含有有机膨胀剂的扁平结构。
2.按照权利要求1的材料，其特征在于至少一层是含有有机膨胀剂的无纺织物。
3.按照权利要求1的材料，其特征在于至少一层是含有有机膨胀剂的泡沫材料。
4.按照权利要求1的材料，其特征在于至少一层是含有有机膨胀剂的纺织物。
5.由多层按照权利要求1至4中至少一项的材料制造的枪弹或弹片防护服。
6.按照权利要求5的枪弹或弹片防护服，其中靠近穿者身体的几层构成外伤组件，其特征在于至少一层外伤组件包含有机膨胀剂。
7.按照权利要求5的枪弹或弹片防护服，其中靠近穿者身体的几层构成外伤组件，其特征在于直接靠近穿者身体的层是未用有机膨胀剂精整的支承层，并且其次的外层中至少一层含有有机膨胀剂。
8.按照权利要求5的枪弹或弹片防护服，其中靠近穿者身体的几层构成外伤组件，其特征在于直接靠近穿者身体的层是包含有机膨胀剂的支承层，并且其次的外层中至少一层包含有机膨胀剂。
9.由按照权利要求1至4中至少一项的多层材料制造的头盔。
10.按照权利要求9的头盔，其特征在于靠近身体的几层中至少一层包含膨胀剂。
11.由按照权利要求1至4中至少一项的多层材料制造的、防止由于撞击而损伤的防护服，其特征在于至少一层包含有机膨胀剂。
全文摘要
在单层或多层组件或层压件内包含至少一层含有机膨胀剂的扁平结构的防弹衣材料。这种扁平结构特别适合于用作防弹组件内的外伤组件。具有膨胀剂的扁平结构显著地改善防弹效果，并且尤其能减少外伤效应。本发明材料特别适合于防弹和防弹片背心以及相应的头盔。此外，本发明材料可用于防止撞击的服装。
文档编号B32B5/04GK1107966SQ941201
公开日1995年9月6日 申请日期1994年11月24日 优先权日1993年11月25日
发明者D·H·P·舒斯特, A·G·佛尔斯 申请人:阿克佐诺贝尔公司